高二物理竞赛量子物理和电介质物理课件.pptx

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1、量子物理和电介质物理2 哥本哈根学派的观点是：哥本哈根学派的观点是：波粒二象性是互补的波粒二象性是互补的（互补原理），波（互补原理），波 量子力学是统计的理论。量子力学是统计的理论。量子力学量子力学现有的形式和它的解释现有的形式和它的解释是完备的。是完备的。动性、粒子性不会出现在同一时空中。动性、粒子性不会出现在同一时空中。粒子波动性的表现，原则上不可避免。粒子波动性的表现，原则上不可避免。不确定关系是不确定关系是3反对哥本哈根学派的观点是：反对哥本哈根学派的观点是：波、粒间的波、粒间的统计解释只对大量粒子系统计解释只对大量粒子系 量子力学现有体系并不完备，量子力学现有体系并不完备，反对反对“

2、不确定关系不确定关系”。“上帝是不会执骰子的上帝是不会执骰子的”。一步探索波、粒统一的本质。一步探索波、粒统一的本质。应进应进统有意义，统有意义，4 1930年第六届索尔维国际会议上年第六届索尔维国际会议上爱因斯坦爱因斯坦和和爱因斯坦提出了爱因斯坦提出了“光盒子光盒子”的的思想思想实验：实验：充满辐射充满辐射活门活门x尺尺开门时间开门时间 t 可准确控制，可准确控制，辐射出的能量辐射出的能量 E可由盒可由盒子上移子上移 x而精确定出。而精确定出。t 和和 E 的测量互不干扰，可以做到的测量互不干扰，可以做到：玻尔玻尔就不确定关系展开了争论。就不确定关系展开了争论。（E=mc2，m可由可由 x

3、定出）定出）5爱因斯坦和玻尔两人争论后正陷入沉思之中爱因斯坦和玻尔两人争论后正陷入沉思之中6 玻尔等指出，根据广义相对论，时间和引力玻尔等指出，根据广义相对论，时间和引力到目前为止，争论仍在进行。到目前为止，争论仍在进行。“目前只能讨论概率。目前只能讨论概率。但是爱因斯坦仍然认为量子力学的统计理论但是爱因斯坦仍然认为量子力学的统计理论费曼（费曼（1965，Nob）在他的讲义中写道：在他的讲义中写道：由此可得出由此可得出虽然是虽然是目前目前，但非常可但非常可非常可能永远无法解决这个疑难，非常可能永远无法解决这个疑难，非常可能自然界就是如此。非常可能自然界就是如此。”能永远如此，能永远如此，应是相

4、关的，应是相关的，只是一种权宜之计，并非最终的理论。只是一种权宜之计，并非最终的理论。7做出物理解释的观念可能会被彻底修改。做出物理解释的观念可能会被彻底修改。”“在我看来，很显然，我们还没有量子力学的在我看来，很显然，我们还没有量子力学的基本定律。基本定律。的修改，的修改，理论。理论。我们现在正在使用的定律需要作重要我们现在正在使用的定律需要作重要只有这样，才能使我们具有相对论性的只有这样，才能使我们具有相对论性的非常可能，非常可能，从现在的量子力学到将来的相从现在的量子力学到将来的相对论性量子力学的修改，对论性量子力学的修改，会象从玻尔理论到目前会象从玻尔理论到目前的量子力学的那种修改一样

5、剧烈。的量子力学的那种修改一样剧烈。当我们做出这当我们做出这样剧烈的修改之后，样剧烈的修改之后，当然我们用统计计算对理论当然我们用统计计算对理论 狄拉克（狄拉克（1933，Nob）在在 1972 年的一次关于年的一次关于量子力学发展的会议上作的闭幕词中说道：量子力学发展的会议上作的闭幕词中说道：8 1930 年第六届索尔威会议年第六届索尔威会议泡泡利利狄狄拉拉克克玻玻尔尔居里夫人居里夫人朗之万朗之万爱因斯坦爱因斯坦u设原子核有Z个正电荷,在其周围有Z个电子。可近似认为Z个电子运动所形成的电子云均匀分布在一a为半径的球内。u在外电场E作用下，正电荷受电场作用力(ZeE)而偏离球心，沿E方向位移；

6、同时还受到负电荷的吸引，当两种力达到平衡时核偏离球心的位移设为l.u此时，若以负电荷所均匀分布的球的中心为球心，以l为半径作一球面；则球面以外的电子云对核的库仑力为零；而球面以内的电子云就好象集中于球心对核施加一个方向与E相反的引力。平衡条件为 解出u原子在电场E作用下的诱导电偶极矩 u故电子极化率为 (2.33)u此模型能给出有用的定性结论，但过于简单、在定量计算中没有意义。u电子极化率之精确模型可通过量子力学方法推导得出 (2.41)n=0表示基态，其它n值表示激发态；u0-基态能量，un-激发态能量。u一对Z价的离子，当其中心相距为r时，则其库仑作用能 为(-Z2e4/4pe0r)；若设

7、斥力能为(b/rn)形式，则总能量为 (2.42)其中b和n为待定理论参数。u利用式(2.42)，由力平衡条件du/dr=0容易求出Az+Bz-型双原子分子的平衡中心距离 (2.43)令 (2.44)u将u在r=R附近展开，取近似到二次项，有 (2.45)u根据力平衡条件,上式右边第二项为零.u0是分子在平衡位置上的能量.若将二次微商在平衡点的值记为f,则上式可写为 (2.45)其中,f为恢复力系数.分子一般将在平衡距离附近振动.u如果沿键轴方向有外电场E,当电场作用力与恢复力平衡时有 ZeE=fx.电场诱导的电矩增量为 Dp=Zex=(Z2e2/f)E.u因此,离子极化率为 (2.46)u对

8、于具有固有电偶极矩p0(permanent dipole)的极性分子,没有外电场作用时,大量分子平均瞬时电矩矢量等于零.这在统计物理中作为公理被人们所承认.=0,(2.48)式中尖括号表示热平衡平均值.u外电场E作用下,分子的电矩沿电场取向有较低能量,但热运动扰乱了这样的取向,使得平均意义上的电矩朝电场取向占优势.u偶极子取向极化率可由统计物理导出 (2.56)u如果单位体积还有N个分子,则按式(2.15)定义的宏观极化率c为 (2.57)u此为Langevin-Debye方程,或称Debye方程.由于电子极化率和离子极化率完全由微观机构决定而与温度无关,故测量物质的宏观极化率随温度的变化规律

9、可由式(2.57)计算出分子固有电矩p0.u出现在非晶固体、聚合物高分子以及不完整晶体中u非均质微观结构、电荷空间不均匀分布u界面极化、缺陷极化、u慢极化机制，温度敏感。u在弥散态物质中，分子之间的平均距离很大。分子内部各部分之相互作用比分子之间的相互作用要强得多，可将每个分子看成是一个近似独立子系。分子之间碰撞的效果归结为按一定的热平衡分布。u外电场E作用下，每个分子都被极化，并产生一个电矩，从而在其周围建立起自己的电场。u每个分子除受外电场E作用外，还要受到其它分子感应电矩的电场作用；这两部分电场合起来记作El，称为局域场(local field)。u一般来说，一个分子内部含有的原子不只一个。讨论分子中某个原子或离子受到的电场的作用时，除El外还要计入该分子内其它原子或离子所产生的总电场Ein，称Ein为内电场。本本 章章 内内 容容 结结 束束